Μια από τις πιο παράξενες ιδιότητες της κβαντομηχανικής εμφανίστηκε σε ένα από τα πιο βίαια περιβάλλοντα που μπορεί να δημιουργήσει η ανθρώπινη τεχνολογία. Η συνεργασία ATLAS στο CERN βρήκε ισχυρές ενδείξεις ότι δύο Z μποζόνια μπορούν να παραμένουν κβαντικά διεμπλεγμένα, παρότι υπάρχουν για απειροελάχιστο χρονικό διάστημα.
Το αποτέλεσμα αφορά ζεύγη Z μποζονίων που γεννιούνται από τη διάσπαση ενός μποζονίου Higgs στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Η μελέτη δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters και μεταφέρει τη μελέτη της διεμπλοκής σε ενέργειες πολύ υψηλότερες από εκείνες των συνηθισμένων εργαστηριακών πειραμάτων.
Τι μέτρησε το ATLAS
Η κβαντική διεμπλοκή περιγράφει μια κατάσταση στην οποία οι ιδιότητες δύο σωματιδίων συνδέονται τόσο στενά, ώστε οι μετρήσεις του ενός να αποκαλύπτουν πληροφορίες για το άλλο. Δεν σημαίνει ότι μεταδίδεται μήνυμα ταχύτερα από το φως· σημαίνει ότι οι συσχετίσεις στις μετρήσεις τους δεν εξηγούνται από δύο ανεξάρτητα, προκαθορισμένα σύνολα ιδιοτήτων.
Οι ερευνητές δεν μπορούσαν να παρατηρήσουν απευθείας τα Z μποζόνια. Αυτά διασπώνται σχεδόν αμέσως μετά τη δημιουργία τους. Αντί γι’ αυτό, το ATLAS κατέγραψε τα ηλεκτρόνια και τα μιόνια που προέκυψαν από τις διασπάσεις τους και ανέλυσε τις γωνίες με τις οποίες κινήθηκαν. Από αυτά τα ίχνη ανακατασκεύασε πληροφορίες για τα spin των αρχικών Z μποζονίων και αναζήτησε τις συσχετίσεις που προβλέπει η κβαντική θεωρία.
Ένα τεστ σε ακραίες ενέργειες
Τα ζεύγη προέρχονται από Higgs μποζόνια που δημιουργούνται όταν πρωτόνια συγκρούονται στον LHC με ταχύτητες κοντά στο 99,99% της ταχύτητας του φωτός. Οι συγκρούσεις φτάνουν σε ενέργειες έως περίπου 13 τρισεκατομμύρια ηλεκτρονιοβόλτ, ενώ τα Z μποζόνια είναι βαριά και εξαιρετικά βραχύβια.
Αυτό κάνει τη μέτρηση ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα. Η διεμπλοκή έχει παρατηρηθεί σε φωτόνια, ηλεκτρόνια και παγιδευμένα ιόντα, δηλαδή σε συστήματα που μπορούν να ελεγχθούν για πολύ περισσότερο χρόνο. Το αποτέλεσμα του ATLAS δείχνει ότι οι ίδιες κβαντικές συσχετίσεις επιβιώνουν και μέσα στις σύντομες, ενεργειακά ακραίες διεργασίες μιας σύγκρουσης σωματιδίων.
Η παρατήρηση έρχεται μετά από προηγούμενη μέτρηση της ATLAS, το 2023, που είχε δείξει διεμπλοκή σε ζεύγη κορυφαίων κουάρκ, των βαρύτερων γνωστών στοιχειωδών σωματιδίων. Τα νέα δεδομένα επεκτείνουν αυτή την ερευνητική κατεύθυνση σε διαφορετικό είδος σωματιδίων και σε διεργασία που συνδέεται άμεσα με το Higgs.
Γιατί ενδιαφέρει πέρα από τη σωματιδιακή φυσική
Η εργασία αποτελεί μέρος μιας ευρύτερης προσπάθειας να χρησιμοποιηθούν εργαλεία της κβαντικής πληροφορικής για την ανάλυση δεδομένων από επιταχυντές. Οι ίδιες έννοιες που είναι χρήσιμες για qubits, κβαντική επικοινωνία και αισθητήρες μπορούν να βοηθήσουν τους φυσικούς να εντοπίζουν λεπτές συσχετίσεις σε τεράστιους όγκους δεδομένων.
Μελλοντικά, τέτοιες τεχνικές ίσως αυξήσουν την ευαισθησία των αναζητήσεων για φαινόμενα που δεν περιγράφονται από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Προς το παρόν, όμως, το αποτέλεσμα είναι κυρίως μια νέα δοκιμή της κβαντομηχανικής: δείχνει ότι η διεμπλοκή παραμένει ορατή ακόμη και όταν τα σωματίδια είναι βαριά, ασταθή και δημιουργούνται σε συγκρούσεις ακραίας ενέργειας.
Το επόμενο βήμα θα έρθει με περισσότερα δεδομένα και με την αναβάθμιση του ανιχνευτή ATLAS και του High-Luminosity LHC. Με μεγαλύτερο δείγμα γεγονότων, οι ερευνητές θα μπορέσουν να εξετάσουν λεπτομερέστερα τις κβαντικές συσχετίσεις και να δοκιμάσουν με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια τα όρια της σημερινής θεωρίας.